Нелінійні електрофізичні процеси у твердих діелектриках під дією сильних електромагнітних полів (стр. 3 )

5. На основе развитых научных методов провести исследование зависимостей электрофизических свойств сегнетоэлектриков и нелинейных магнитодиэлектрических композитов от параметров сильных импульсных электромагнитных полей.

6. На основе выполненных исследований развить научные основы разработки твердотельных высоковольтных генераторов импульсных токов и напряжений, работа которых основана на использовании нелинейных процессов в диэлектриках и магнитодиэлектриках.

Объект исследования – электрофизические процессы в диэлектрических средах.

Предмет исследования – нелинейные электрофизические процессы, которые происходят под действием сильных электрических и магнитных полей в диэлектрических средах.

Методы исследования. В работе для расчетов параметров электромагнитных и электрофизических процессов в исследуемых объектах использованы фундаментальные положения теории электромагнитного поля и методы теории электрических цепей. При разработке моделей исследуемых нелинейных процессов и расчетах электромагнитных полей использовался численный метод конечного интегрирования. Для решения систем уравнений математических моделей использованные методы прогонки и переменных направлений. Импульсная поляризация сегнетоэлектриков экспериментально исследовалась с использованием метода Сойера-Тауэра. При анализе экспериментальных результатов использовалась полиномиальная аппроксимация. При разработке методики оценки состояния высоковольтной изоляции в диссертации использованы метод статистического моделирования. Контроль химического состава и структуры исследуемых образцов нелинейных диэлектриков проведены с использованием методов рентгено-фазового анализа и электронной микроскопии. Достоверность полученных данных проверена путем сравнения экспериментальных и теоретических результатов.

Научная новизна полученных результатов.

1. Усовершенствована математическая модель нелинейных электрофизических процессов под действием сильных электрических и магнитных полей в сегнето-магнитных композитах формирователей ударных электромагнитных волн, сформулированная в терминах модифицированного векторного потенциала с использованием метода конечного интегрирования.

2. Впервые оценено совместное влияние степени нелинейности диэлектрической и магнитной проницаемостей на процесс деформации волнового фронта и формирование ударной электромагнитной волны при ее распространении в композитной сегнето-магнитной среде.

3. Впервые установлены соотношения геометрических и электрофизических параметров сегнетоэлектрической и магнитодиэлектрической составляющих слоистых композитных сегнетомагнитных активных диэлектриков, которые обеспечивают стабилизацию во времени волнового сопротивления нелинейных формирующих линий при распространении в них электромагнитных волн и делают возможным согласование их выходного сопротивления с постоянной нагрузкой.

4. Получил дальнейшее развитие экспериментальный метод Сойера - Тауэра в части исключения влияния коммутационных помех и переходных процессов на результаты измерения исследуемых нелинейных электрофизических параметров. Это позволило впервые исследовать нелинейные свойства новых сегнетокерамик в широком временном интервале монотонного нарастания сильного электрического поля (от миллисекунд до наносекунд) по единой экспериментальной методике.

5. Впервые экспериментально исследованы электрические параметры, которые характеризуют свойства новых гомогенных и слоистых сегнетомагнитных сред в сильных импульсных электромагнитных полях. Исследования проведены при разных скоростях нарастания напряженностей сильных электрических и магнитных полей в диапазоне температур, который охватывал фазовые переходы образцов твердых диэлектриков.

6. Усовершенствованы и впервые применены для физико-химического синтеза сложных сегнетоэлектрических, ферримагнитных и сегнетомагнитных сред, пригодных для формирования мощных быстро нарастающих импульсов напряжения, тока и электромагнитного поля, методы вакуумного аэрозольного напыления при комнатной температуре и микроплазменного оксидирования.

7. Получили дальнейшее развитие научные основы разработки высоковольтных твердотельных генераторов мощных импульсов напряжения, тока и электромагнитного поля, работа которых основана на использовании нелинейных процессов в диэлектриках и магнитодиэлектриках.

Практическое значение полученных результатов для техники сильных электрических и магнитных полей.

1. Разработан единый обобщающий подход, экспериментальные стенды и технические средства для измерения динамических характеристик импульсной поляризации нелинейных диэлектриков и сегнетомагнитных композитов под действием сильных электромагнитных полей. Созданные стенды нашли применение как учебная лабораторная база при подготовке специалистов по специальностям 05070103 “Техника и электрофизика высоких напряжений” и 05130104 “Химическая технология тугоплавких неметаллических и силикатных материалов” в НТУ “ХПИ”.

2. Созданы новые составы сегнетокерамик, пригодных для практического использования в качестве активных диэлектриков твердотельных генераторов мощных импульсов напряжения и тока. Измерены и систематизированы в виде электронных таблиц важные для практического использования количественные электрофизические характеристики новых сегнетокерамик.

3. Разработаны и изготовлены спиральные генераторы импульсных напряжений новой (плоской) компоновки. Использование опытного образца разработанного генератора импульсных напряжений и токов на общей нагрузке в Государственном предприятии “Научно-исследовательский институт высоких напряжений” (г. Славянск) позволило проводить испытание и отбраковку стеклянных и керамических изоляторов различных типов и назначений. Опытный образец данного генератора используется также как высоковольтный источник импульсов тока и напряжения при физических исследованиях в Шатурском филиале Института теплофизических экстремальных состояний Объединенного института высоких температур Российской академии наук.

4. Разработан и изготовлен полностью твердотельный SOS-генератор импульсов тока наносекундной длительности для проведения испытаний на стойкость технических объектов к воздействию электромагнитных помех. Благодаря исключению с состава генератора искрового коммутирующего разрядника удалось обеспечить роботу схемы в режиме, который позволяет использовать генератор для проведения испытаний радиоэлектронных средств на стойкость к наносекундным импульсным помехам согласно требованиям международного стандарта ГОСТ 29156-91 (ІEC60801-4).

5. Найдены и практически испытаны технологические приемы синтеза образцов мелкозернистой сегнетокерамики (размер зерен меньше, чем 1 мкм) методом аэрозольного напыления при комнатной температуре на металлических подложках-электродах в вакууме. Созданный стенд для синтеза керамики позволяет изготавливать экспериментальные образцы устройств для испытаний на электромагнитную стойкость.

6. Разработан и практически реализован способ получения покрытий активными диэлектриками на металлических подложках. Техническая новизна полученных решений подтверждена патентами на полезные модели № 000 и № 000 (Украина). Найдены и практически испытаны технологические приемы синтеза образцов плотных сегнетоэлектрических, ферримагнитных и слоистых сегнетомагнитных покрытий на алюминиевых подкладках в щелочной электролитической среде. Созданный стенд для нанесения толстослойных диэлектрических покрытий нашел применение в качестве учебной лабораторной базы при подготовке специалистов по специальности “Техническая электрохимия” 05130103 в Национальном техническом университете “Харьковский политехнический институт”.

7. Разработана и испытана технология изготовления образцов нелинейных высоковольтных формирующих линий с распределенными параметрами с сегнетокерамической активной диэлектрической средой. Создано технологическое оборудование для изготовления экспериментальных образцов керамических изделий из сегнетокерамики.

Личный вклад соискателя. Все научные положения и результаты, приведенные в диссертации, получены лично соискателем: разработаны методы физического и математического моделирования нелинейных электрофизических процессов в диэлектрических средах, сделаны постановки задач исследований и проведены эксперименты, а также проанализированы и интерпретированы полученные данные. В роботах, выполненных в соавторстве, соискателем выполнены постановки задач, выбраны научные методы, разработаны и практически реализованы экспериментальные стенды, проведены экспериментальные и теоретические исследования, проанализированы результаты. В частности, соискателем разработаны и реализованы новые методики синтеза сегнетомагнитных композитов, исследованы их электрофизические свойства и процессы распространения электромагнитных волн в диэлектрических средах с нелинейными электрическими и магнитными параметрами.

Апробация. Основные результаты работы представлены и обсуждены на научно-технической школе “Физика импульсных разрядов в конденсированных средах” (г. Николаев, 1997 г.); международных симпозиумах и конференциях: “ІEEE Іnternatіonal Conference on Conductіon and Breakdown іn Solіd Dіelectrіcs” (г. Вастерас, Швеция, 1998 г.), “Іnternatіonal Symposіum on Electrіcal Іnsulatіng Materіals” (г. Токохаші, Япония, 1998 г.), “11-th Іnternatіonal Symposіum on Hіgh Voltage Engіneerіng” (г. Лондон, Великобритания, 1999 г.), “Физика Диэлектриков” (г. С-Петербург, Россия, 2000 г.), “7th Іnternatіonal Conference on Conductіon and Breakdown іn Solіd Dіelectrіcs” (г. Ейндховен, Нидерланды, 2001 г.), “Pulsed Power Plasma Scіence - 2001” (г. Лас - Вегас, США, 2001 г.), “Іnternatіonal Conference on Advances іn Processіng, Testіng and Applіcatіon of Dіelectrіc Materіals” (г. Вроцлав, Польша, 2001 г.), “Силовая электроника и енергоефективність” (г. Алушта, 2005 -2011 гг.), “Іnternatіonal Conference on Hіgh Voltage Engіneerіng and Applіcatіon” (г. Новый Орлеан, США, 2010 г.), “17-th Іnternatіonal Symposіum on Hіgh Voltage Engіneerіng” (г. Ганновер, Германия, 2011 г.) и других.

Результаты работы докладывались в Кембриджском Университете (Великобритания, 2008 г.), в Іmperіal College (г. Лондон, Великобритания, 2008 г.) и Korea Іnstіtute of Machіnery and Materіals (г. Дайджон, Южная Корея, 2011 г.).